爱因斯坦(Albert Einstein)
普朗克黑体辐射公式比维恩公式更具普适性,爱因斯坦在普朗克公式的基础上再次进行统计计算,最后得出结论认为,既需要波动性,又需要黑体辐射腔所表现出的粒子性。1909年,在普鲁士科学院的一次研讨会上,爱因斯坦演示了他的计算过程,试图说服普朗克和其他在场的人,将光看做是一连串独立粒子也是必要的。
众所周知,爱因斯坦没有因相对论而获得诺贝尔奖是由于瑞典皇家科学院中有些重要人物对相对论持强烈的怀疑态度。1911年诺贝尔医学或生理学奖得主阿尔瓦·古尔斯特兰德(Allvar Gullstrand )认为,狭义相对论的正确性依赖于信念,而非基于已经证实的事实。他还认为,广义相对论算不上是严谨的分析。
那么,爱因斯坦获得诺贝尔奖是否意味着瑞典皇家科学院认可了光的粒子性?诺贝尔奖委员会只是说到,爱因斯坦发现了物质与以太之间通过原子发射或吸收,以hν为单元的能量量子进行能量交换。
随着光量子(在现代术语中称为光子)概念的提出,爱因斯坦指出,物体中的电子被频率为ν的单色光激发出来后,它的最大动能 E=hν-P,其中P为电子从物体中脱离所需要的最低能量。密立根(Robert Andrews Millikan)用10年时间进行了一系列的测量研究,最终精确验证了这个规律的正确性。然而密立根却对光量子的概念感到陌生和奇怪。
诺贝尔奖委员会避免承认光的粒子性。在获奖理由中,仅在描述发射和吸收过程时提到了光量子或者现代所说的光子。委员会认为,爱因斯坦光电效应理论最重要的应用也是最有说服力的证明来自于,玻尔(Niels Henrik David Bohr)将它用于原子结构模型中,从而解释了大量的光谱数据。
玻尔(Niels Henrik David Bohr)
在玻尔的原子模型中,他用爱因斯坦发现的定律来计算发射或者吸收光的频率,当一个原子在E1和E2(1和2皆为下标)两个分立能级之间转变时,发射或者吸收光的频率应为 ν= (E1-E2)/h(1和2皆为下标),这在今天看来也许不算什么,不过是伴随有光子的发射或吸收发生时的基本能量守恒。然而,玻尔反对光子这一概念很多年,一直到1925年。在1922年获得诺贝尔奖的演讲中,他说出了反对的原因:“尽管光量子假说具有启发性,但它与光干涉现象是非常不可调和的,不能用于阐明辐射现象的本质。”爱因斯坦原本也被邀请来参加颁奖礼,但由于他已远行日本,未能前往。因此世界错过了一个机会,以见证两位物理学巨匠关于光的本质的一次早期讨论。
诺贝尔物理奖委员会明白爱因斯坦和玻尔之间的关联,在1922年同时确定归属的两个诺贝尔奖明显地揭示出这种关联:上一年的诺贝尔奖授予爱因斯坦,当年的诺贝尔奖授予玻尔。
康普顿1927年的诺贝尔奖早在1923年索末菲(Arnold Sommerfeld)访问美国时,他写信给玻尔:“最有意思的…...是康普顿在圣路易斯的工作…...从此X射线的波动理论将失效。”
康普顿观察到一部分X射线被散射后,会偏离原来的方向,并且波长变长。他精确地测量了波长的变化,这种变化不能用经典的波动理论进行解释。康普顿提出了自己的解释,这个散射过程可以看作是两个粒子的碰撞,一个是自由电子,另一个就是光子。
康普顿(Arthur Holly Compton)
基于量子论和相对论运动学,康普顿利用能量和动量守恒计算了两个粒子碰撞后X射线波长的变化。他的计算结果与实验测量完全吻合。康普顿用X射线光谱仪精确测量X射线散射,结果包含两个部分,一部分波长发生偏移,一部分波长不变。波长发生偏移的原因是由于被自由电子或近自由电子散射,电子受到冲击,获得动量和可观的能量,而波长不变的情形是由于被束缚电子散射,在这种情形下,整个原子甚至晶体获得动量,但只获得少到可以忽略的能量。
康普顿所用的光谱仪工作原理是基于X射线的波动理论。通过它,康普顿却发现,X射线散射起来像粒子一样。这鲜明地印证了光的二象性。
康普顿在1927年与发明云室的威尔逊(C.T.R. Wilson)分享了诺贝尔物理奖。利用云室,威尔逊观测到电子在X射线碰撞下的弹射轨迹,从而成为康普顿效应的有力证据。
那么到了这时候,皇家科学院最终因为光的粒子性的发现而颁发了诺贝尔奖吗?答案还是否定的。
在评价报告中,有一句话写到,康普顿的理论在最新的理论体系中应该被放弃。因此光粒子理论还是没有被接受。
诺贝尔奖委员会的立场是可以理解的。因为在康普顿获得诺贝尔奖时,还没有基于光子概念的微分散射截面理论,这一理论要在未来才被人提出。而基于光波动理论的解释已经提出,将电子和X射线都当作波来处理,同样能够给出准确的波长变化。
诺贝尔奖委员会早在1925年和1926年就评估过康普顿效应,结果认为这个理论不太符合要求。然而1927年情况发生了变化。瑞典乌普萨拉大学力学和数学物理系的奥森(Carl Wilhelm Oseen)教授重新进行了评估。他为委员会做了一项十分彻底的研究。他回顾了1922年康普顿效应提出以来引起的大量关注,许多源于康普顿的理论解释。他写到:“毫不意外,康普顿理论与观测结果的相符将会导致那些不追求理论严谨的物理学家们认为,光波动理论和光粒子理论的长期争论将要终结。这些物理学家将康普顿的发现视作光粒子理论是正确的关键证据。如果这种期望最终实现,那么毫无疑问康普顿就是整个辐射理论发展的关键转折点。”奥森打算证明情况并非如此。然而他的观点却反过来印证了康普顿效应的重要性。
奥森介绍了玻尔理论在1925年的沦落,然而康普顿效应对此却毫无帮助。他提出,在未受康普顿效应启发下,矩阵力学和波动力学就已经进入了物理学的舞台。针对康普顿效应,康普顿、徳拜(Debye)和乌斯(Woos)给出了旧的理论解释。在光量子理论的基础上,“他们的理论对于实验研究工作有一定价值,但是现在在最新的理论体系中,这种旧的理论解释必须要抛弃。”
奥森接着又提到了近期的一些新进展,特别是基于光波动理论的戈登(Gordon)和克莱因(O. Klein)的工作,他们将电子和光都视作波。通过使散射波与碰撞电子之间满足能量和动量守恒,他们得到的方程与当初康普顿假定两个粒子间碰撞推导出来的方程相同。
奥森最终得出结论,“康普顿-徳拜理论的根基最终被证实不是一个假定,而是原子理论的一个推论,”从而进一步说明康普顿的理论解释应该被抛弃。而且利用波动力学也可以得到强度随散射角的变化公式(也就是微分散射截面),而且要比经典波动理论预测更符合实验测量结果。
奥森总结道,在过去18个月所取得的革命性成果与康普顿的发现无关,而且这些新成果的发展方向正好与康普顿效应得出的结论相反。这种新的理论是一种比以往任何理论都要更高级的波动理论。利用这套理论能够给出康普顿效应定性和定量的正确描述。
诺贝尔奖委员会强调,康普顿效应无论如何都是重要的,因为它又一次非常清晰地展示出,经典理论在原子物理领域不再适用了,它为检验新的理论提供了一种受欢迎、有价值的可能性。
关于物质的波粒二象性的诺贝尔奖光的波粒二象性被扩展到物质中,在物质中也存在类似的波粒二象性。电子和原子起初都被认为是微粒。德布罗意(Louis-Victor de Broglie)因为发现电子的波动特性于1929年获得了诺贝尔物理奖。纽约的戴维森(Clinton Joseph Davisson)和伦敦的汤姆森(Sir George Paget Thomson)分别独立进行了实验验证。他们同时被授予1937年的诺贝尔物理奖。自从薛定谔(Erwin Schrödinger)1925年给出非相对论波动方程,电子波动力学成了研究自然科学的有力工具。他被授予1933年的诺贝尔物理奖。
德布罗意(Louis-Victor de Broglie),戴维森(Clinton Joseph Davisson),汤姆森(Sir George Paget Thomson)
诺贝尔奖委员会早期一直谨慎避免明确提及光的粒子性,但是却毫不犹豫地表明物质有时表现出波的特性。1927年玻尔就提出互补原理,因此在1929年诺贝尔奖颁奖典礼的现场演讲中,他是这样讲的:“光似乎既是波又是粒子。光的有些性质可以通过波来解释,另外一些则可以通过粒子来解释。两者都是正确的。”
解决光的二象性问题的诺贝尔奖随着1925到1926年量子力学的出现,二象性问题的解决成为了可能。
狄拉克(Paul Dirac)在1927年发表了一种融合了光的二象性的数学理论,用于解决电磁场中的相互作用,例如光或者X射线与带电粒子的相互作用,这是一种关于量子化场的理论。接着一些物理学家进一步发展了这套理论,使其同样适用于物质场,以至其在今天发展成为处理基本相互作用(强、弱或者电磁)的不可或缺的方法。三位先驱,狄拉克、海森堡(Werner Heisenberg)和泡利(Wolfgang Pauli)分别由于其他的成就被授予诺贝尔物理奖。
最初版本的狄拉克理论结合了光的波动性和粒子性,仅仅在一级近似的情况下有效。计算结果与实验观测基本一致,其中之一就是康普顿散射的微分散射截面。然而在某些特定情况下进行更精确的计算时,结果变得发散,事实上得到的结果是无穷大。
到了20世纪40年代,这个问题才被朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)、施温格(Julian Schwinger)和费曼(Richard Feynman)解决,他们分享了1965年的诺贝尔物理奖。得益于他们的工作,人类获得了该领域最完美和精确的理论之一——量子电动力学。它用完美的数学语言描述,摆脱了关于波粒二象性的无休无止的争论,转而利用量子场来进行运算。